Damage progression in composite materials: An experimental and numerical study
Kompozit malzemelerde hasar ilerlemesi: Deneysel ve sayısal çalışma
- Tez No: 820844
- Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET YILDIZ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Mechanical Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 163
Özet
Karbon elyaf takviyeli polimerik (CFRP) kompozitler, yüksek rijitlik, yorulma mukavemeti ve mukavemet-ağırlık oranlarından dolayı otomobil, havacılık, savunma ve denizcilik endüstrilerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu değerlere rağmen, kompozit malzemelerde hasar ilerlemesini ve hasar mekanizmasını anlamak çok önemlidir. CFRP'ler iki bileşenli ve anizotropik katmanlı yapılar olduğundan, hasar gelişimi ve yayılması çok karmaşıktır. Elyafların dokuma modeli ve üretim yöntemleri de bu yapıların içindeki mekanik özellikleri ve hasar yayılımını etkiler. Her şeyden önce, eksen dışı katların eklenmesi hasar gelişimini de etkiler, bu da hasar mekanizmasının laminatın yükleme koşullarına, yapının geometrisine ve dizilim sırasına bağlı olduğunu gösterir. Bu yapılar farklı endüstrilerde kullanılmış olsa da bu yapıların güvenliğini sağlayacak ve aynı zamanda gelecekteki uygulamalar için yapıların tasarımına ve geliştirilmesine yardımcı olacak bu yapılar içindeki mekanik performansı ve hasar gelişimini değerlendirmek için hala kapsamlı çabalara ihtiyaç vardır. Bu çalışma, farklı yükleme koşulları altında test edilen ayırt edici tasarım ve mimari tabanlı kompozit malzemeler içindeki hasar ilerlemesini araştırmak için kapsamlı bir çalışmadır. Bu amaçla, bu araştırmaların sonuçları, tümü bu tezde ayrı ayrı sunulan beş makale ile verildi. Tezin ilk makalesi, farklı yapıştırıcıların ve bunların üretim yöntemlerinin, karbon fiber kompozit kuponların içindeki çekme mukavemeti ve stres dağılımı üzerindeki etkisini ele almaktadır. Araldite epoksi ve AF 163-2 3M Scotch -kaynak filmi, cam elyaf kompozit esaslı şeritleri karbon elyaf kompozitlerle yapıştırmak için yapıştırıcı malzemeler olarak kullanılmıştır. Ayrıca, AF 163-2 3M Scotch-kaynak filmini tablemek için iki farklı yöntem (jig ve köşe delikleri) kullanıldı. Çekme testi sırasında, dijital görüntü korelasyonu (DIC) ve akustik emisyon (AE) gibi yerinde izleme teknikleri kullanıldı; burada DIC, numunenin yüzeyi boyunca gerinim dağılımını elde etti. Aynı zamanda AE analizi, laminat içindeki hasarın başlamasını ve yayılmasını izledi. Bu tezin ikinci makalesi, kesme yükü altında düz dokuma karbon fiber kompozitlerin genel hasar mekanizması üzerindeki“boyut etkisinin”rolünü içermektedir. Hasar, DIC, AE ve kızılötesi termografi (IRT) gibi çok araçlı bir yaklaşım yardımıyla incelenmiştir. Kalınlığın bu kompozitlerin hasar oluşma davranışı, kayma mukavemeti, hasar birikimi ve gerinim dağılımı üzerindeki etkisi rapor edilmiştir. Üçüncü makale, dokuma karbon fiber kompozitler içindeki kesme davranışı, hasar ilerlemesi ve çatlak büyümesi üzerindeki boyut etkisini araştırma girişimidir. Farklı kalınlıklara sahip numuneler, Iosipescu konfigürasyonu aracılığıyla düzlem içi kesme yüklemesi altında yüklenir. Kesintili kesme testleri, ilgili maksimum yükün %60, %80 ve %100'ünde gerçekleştirilmiştir. Hasar yayılımı, uygulanan her yükte AE ve IRT aracılığıyla izlendi. Her yükleme adımından sonra numuneler, çatlak büyümesini, hasar mekanizmalarını ve çatlak miktarını izlemek için X-ışını bilgisayarlı tomografi ile tarandı. Dördüncü makale, karşılıklı iki deliğe sahip eksenel olarak yüklenmiş kompozit silindirlerin Kararlılığıve malzeme bozulmasının deneysel ve sayısal bir incelemesini sunar. Eksenel simetrik kompozit silindirler, Şişirme ile kalıplamakalıplama yöntemiyle üretilir. Farklı boyutlarda kesiklere (5 mm, 10 mm ve 15 mm) sahip üç numune eksenel basma altında test edilir. ABAQUS kullanılarak hasar analizi, bükülme analizi ve hasar ilerlemesini kapsayan sayısal analiz yapılmıştır. Ayrıca, deneysel araştırma sırasında DIC, AE ve IRT, tam alan gerinim ölçümünü, hasarın ilerlemesini ve termal değişimi izledi. Hem sayısal hem de deneysel araştırmalarla elde edilen sonuçlar doğrulama amacıyla ilişkilendirilmiştir. Bu tezin beşinci makalesi, 5 mm ve 10 mm delikli kompozit içi boş silindirlerin hasar analizini ve hasar ilerlemesini sunar. Eksenel simetrik [-45/45/90/0]S kompozit silindirler bladder kalıplama tekniği kullanılarak üretilmektedir. Bu uzun silindirler, hasarın ilerlemesi ve izlenmesi için AE, DIC ve IRT cihazlarının kullanıldığı burulma yükü altında test edilir. Ayrıca, ANSYS APDL'de, incelenen silindirler üzerinde İlerleyen hasar analizi (PDA) gerçekleştirmek için malzeme özelliklerinin bozulmasına (MPDG) dayalı bir sayısal analiz yaklaşımı geliştirilmiştir. Sayısal çalışmalardan elde edilen sonuçlar, deneysel çalışmalarla tutarlılık göstermekte ve yapılan çalışmaların doğruluğunu ve güvenilirliğini teyit etmektedir.
Özet (Çeviri)
Carbon fiber reinforced polymeric (CFRP) composites have been extensively used in automobile, aerospace, defense, and marine industries because of their high stiffness, fatigue strength, and strength-to-weight ratio. Despite these merits, understanding damage progression and failure mechanism in composite materials is crucial. As CFRPs are bi-constitutive and anisotropic layered structures, the development and propagation of failure are very complicated. The weaving pattern of the fibers and manufacturing methods also influence the mechanical properties and failure propagation inside these structures. Above all, the addition off-axis plies also affect the damage development, implying that the failure mechanism relies on the laminate's loading conditions, the geometry of the structure, and the stacking sequence. Although these structures have been utilized in different industries, appreciative efforts are still needed to assess the mechanical performance and failure development inside these structures, which will ensure the safety of these structures and also helps in the design and development of the structures for future applications. This study is a comprehensive effort to investigate the damage progression inside the distinctive design and architecture-based composite materials tested under different loading conditions. For that purpose, the outcomes of these investigations resulted in five manuscripts, all individually presented in this dissertation. The first paper of the thesis deals with the effect of different tabbing adhesives and their manufacturing methods on the tensile strength and stress distribution inside the carbon fiber composite coupons. Araldite epoxy and AF 163-2 3M Scotch-weld film were used as adhesive materials to adhere the glass fiber composite-based tabs with carbon fiber composites. Further, two different (jig and corner holes) methods were used to tab the AF 163-2 3M Scotch-weld film. During the tensile test, in-situ monitoring techniques such as digital image correlation (DIC) and acoustic emission (AE) were utilized, where DIC acquired the strain distribution across the surface of the specimen. At the same time, AE analysis monitored the damage initiation and propagation inside the laminate. The second paper of this thesis comprises the role of the“size effect”on the global failure mechanism of plain-woven carbon fiber composites under shear loading. Failure has been investigated with the help of a multi-instrumental approach such as DIC, AE, and infrared thermography (IRT). The effect of thickness on these composites' failure behavior, shear strength, damage accumulation, and strain distribution has been reported. The third paper is an attempt to investigate the size effect on the shear behavior, damage propagation, and crack growth inside the woven carbon fiber composites. Specimens with different thicknesses are loaded under in-plane shear loading through the Iosipescu configuration. Interrupted shear tests were performed at 60%, 80%, and 100% of the relevant maximum load. The damage propagation was monitored through AE and IRT at each applied load. After each load step, specimens were scanned through X-ray computed tomography to monitor the crack growth, failure mechanisms, and crack quantification. The fourth paper presents an experimental and numerical investigation of the stability and material failure of axially loaded composite cylinders with two oppositely located cutouts. Axisymmetric composite cylinders are manufactured through the high-pressure bladder molding method. Three specimens with different sizes of cutouts (5mm, 10mm, and 15mm) are tested under axial compression. Numerical analysis was performed using ABAQUS, covering the failure analysis, buckling analysis, and damage progression. Furthermore, during the experimental investigation, DIC, AE, and IRT monitored full-field strain measurement, damage progression, and thermal variation. Results obtained by both numerical and experimental investigations are correlated for the sake of validation. The fifth paper of this dissertation presents the failure analysis and damage progression of the composite hollow cylinders with 5mm and 10mm cutouts. The axisymmetric [-45/45/90/0]S composite cylinders are produced by using the bladder molding technique. These long cylinders are tested under torsional load, where AE, DIC, and IRT instruments are employed for damage progression and monitoring. Furthermore, a numerical analysis approach is developed in ANSYS APDL, based on the material properties degradation (MPDG), to perform progressive damage analysis (PDA) on the investigated cylinders. Results obtained from the numerical studies are consistent with the experimental studies and verify the accuracy and reliability of the conducted studies.
Benzer Tezler
- Karbon kompozitlerin cıvatalı ve yapıştırmalı bağlantılarında hasar analizi
Failure analysis of bolted and bonded carbon composite joints
AHMET FARUK KURAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
ÖĞR. GÖR. LEVENT KIRKAYAK
- Failure investigation of composite materials using multi-instrument experimental techniques and numerical method
Çok aletli deney teknikleri ve nümerik yöntemi kullanılarak kompozit malzemelerin kırılmalarının araştırılması
RAJA MUHAMMAD AWAIS KHAN
Doktora
İngilizce
2021
Mühendislik BilimleriSabancı ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
Prof. Dr. MEHMET YILDIZ
- Kompozit palakalarda düşük hızlı darbenin modellenmesi
Modelling the low velocity impact on composite plates
MUHSİN ALÇI
Doktora
Türkçe
2023
Makine MühendisliğiErciyes ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RECEP GÜNEŞ
- Failure behavior of laminated composites under anticlastic bending
Çift eksenli eğilme yüklemesi altındaki katmanlı kompozit plakaların kırılma davranışının incelenmesi
YAKUP OKAN ALPAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Makine MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FAZIL ÖNDER SÖNMEZ
DOÇ. DR. NURİ BÜLENT ERSOY
- Kompozit levhalarda lineer olmayan malzeme davranışının gerilme analizine etkisi
The effect of nonlinear material behavior on stress analysis of composite plates
SİBEL ÇAYIR
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Makine MühendisliğiFırat ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. METE ONUR KAMAN